DE19718432A1

DE19718432A1 - Thyristor mit isoliertem Gate

Info

Publication number: DE19718432A1
Application number: DE19718432A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Iwamuro; Yuichi Harada; Tadayoshi Iwaana
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 1997-11-13
Also published as: US6091087A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Thyristor mit isoliertem Gate und genauer auf einen als Leistungsschaltvorrichtung benutzten Thyristor mit isoliertem Gate.

Thyristoren sind wegen ihrer geringen Durchlaßspannung als unverzichtbare Bauelemente zum Schalten großer Leistungen eingesetzt worden. Beispielsweise werden derzeit GTO-Thyristoren (gate-abschaltbare Thyristoren) für Anwendungen im Bereich hoher Spannungen und großer Ströme eingesetzt. GTO-Thyristoren besitzen allerdings auch Nachteile, nämlich zum einen erfor dern sie zum Abschalten einen großen Gatestrom, gleichbedeutend mit einer geringen Abschalt verstärkung, und zum anderen sind zum sicheren Abschalten der GTO-Thyristoren große Über spannungs-Schutzschaltungen, sogenannte Snubber-Schaltungen, erforderlich. Da GTO-Thyristo ren in ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie keine Stromsättigung zeigen, muß ein passives Element, etwa eine Sicherung, als Schutz vor Lastkurzschlüssen mit einem GTO-Thyristor verbunden wer den. Dies läuft einer Verminderung der Größe und der Kosten des gesamten Systems zuwider.

Ein MOS-gesteuerter Thyristor (als "MCT" bekannt und nachfolgend so bezeichnet) als ein span nungsgesteuerter Thyristor ist in der Druckschrift IEEE IEDM Tech. Dig. 1984, Seite 282 beschrieben worden. Seitdem sind die Eigenschaften dieser Thyristorart in verschiedenen Institu ten weltweit analysiert und verbessert worden. Der Grund dafür ist, daß ein MCT, weil es sich bei ihm um ein spannungsgesteuertes Bauelement handelt, eine sehr viel einfachere Gateschal tung erfordert als ein GTO-Thyristor, zugleich aber die Eigenschaft einer relativ geringen Durch laßspannung besitzt. Wie ein GTO-Thyristor zeigt aber auch der MCT keine Stromsättigung und erfordert daher bei seinem praktischen Einsatz ein passives Element, etwa eine Sicherung.

Aus der US 4,847,671 ist ein sogenannter emitter-geschalteter (emitter switched) Thyristor bekannt, der eine Stromsättigungscharakteristik aufweist. Aus der Druckschrift IEEE Electron Device Letters, Band 12 (1991), Seite 387 geht hervor, daß man aufgrund von Messungen herausgefunden hat, daß solch ein emitter-geschalteter Thyristor mit Doppelkanal (EST-1) eine Stromsättigungscharakteristik selbst in einem hohen Spannungsbereich zeigt. In den Druck schriften IEEE ISPSD′93, Seite 71 und IEEE ISPSD′94, Seite 195 sind die Ergebnisse von Analy sen hinsichtlich des sicheren Betriebsbereichs im Durchlaßbetrieb (FBSOA = Forward Bias Safe Operation Area) und des sicheren Betriebsbereiches im Sperrbetrieb (RBSOA = Reverse Bias Safe Operation Area) dieses EST offenbart, womit der Weg geebnet wurde für die Entwicklung eines spannungsgesteuerten Thyristors mit einem sicheren Betriebsbereich, innerhalb dessen das Bauelement sicher arbeitet, wenn ein Lastkurzschluß auftritt. Fig. 17 zeigt den Aufbau dieses EST-Bauelements.

In dem in Fig. 17 gezeigten Bauelement sind in einer Oberflächenschicht einer n Basisschicht 3 eine erste p Basiszone 4, eine p⁺ Wannenzone 5 und eine zweite p Basiszone 6 ausgebildet. Die Basisschicht 3 ist unter Zwischenlage einer n⁺ Pufferschicht 2 auf einer p Emitterschicht 1 abgeschieden. Die Wannenzone 5 bildet einen Teil der ersten Basiszone 4 und weist eine relativ große Diffusionstiefe auf. Eine n Sourcezone 7 ist in einer Oberflächenschicht der ersten Basis zone 4 ausgebildet, und eine n Emitterzone 8 ist in einer Oberflächenschicht der zweiten Basis zone 6 ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 ist unter Zwischenlage eines Gateoxidfilms 9 über einem Abschnitt der ersten Basiszone 4 angeordnet, der zwischen der Sourcezone 7 und einem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht 3 liegt, sowie einem Abschnitt der zweiten Basiszone 6, der zwischen der Emitterzone 8 und einem frei liegenden Abschnitt der Basisschicht 3 liegt. Die Länge jeweils der Sourcezone 7, der Emitterzone 8 und der Gateelektrode 10 ist bei der in Fig. 17 gezeigten Anordnung in Z-Richtung beschränkt, und die erste Basiszone 4 und die zweite Basiszone 6 sind außerhalb dieser Zonen 7, 8 und der Elektrode 10 gekoppelt. Ferner ist die Wannenzone 5 mit einer L-Form außerhalb des Kopplungsabschnitts der ersten Basiszone 4 mit der zweiten Basiszone 6 ausgebildet. Eine Kathodenelektrode 11 ist in Kontakt mit einer Oberflä che der Wannenzone 5 und einer Oberfläche der Sourcezone 7 ausgebildet. Andererseits ist eine Anodenelektrode 12 über der gesamten Fläche der Rückseite der Emitterschicht 1 ausgebildet.

Wenn die Kathodenelektrode 11 dieses Bauelements an Masse gelegt und eine positive Span nung an die Gateelektrode 10 angelegt wird, während eine positive Spannung an der Anoden elektrode 12 anliegt, wird unter dem Gateoxidfilm 9 eine Inversionsschicht (Teilakkumulationsschicht) ausgebildet, und ein lateraler MOSFET wird dadurch eingeschaltet. Als Folge werden Elektronen von der Kathodenelektrode 11 über die Sourcezone 7 und die in der Oberflächenschicht der ersten Basiszone 4 gebildete Inversionsschicht (Kanal) zur Basisschicht 3 geliefert. Diese Elektronen wirken als Basisstrom eines pnp Transistors, der sich aus der p Emit terschicht 1, der n ⁺ Pufferschicht 2 und der n Basisschicht 3 sowie der ersten und der zweiten p Basiszone 4, 6 und der p⁺ Wannenzone 5 zusammensetzt. Dieser pnp Transistor arbeitet mit diesem Basisstrom. Dadurch werden Löcher von der Emitterschicht 1 injiziert und fließen über die Pufferschicht 2 und die Basisschicht 3 in die erste Basiszone 4. Ein Teil dieser Löcher fließt in die zweite Basiszone 6 und dann unter der Emitterzone 8 in Z-Richtung zur Kathodenelektrode 11. Damit arbeitet das Bauelement in einer IGBT-Betriebsart (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor bzw. bipolarer Transistor mit isoliertem Gate). Bei weiterer Zunahme des Stroms wird der pn-Übergang zwischen der Emitterzone 8 und der zweiten Basiszone 6 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und ein Thyristorabschnitt umfassend die p Emitterschicht 1, die n ⁺ Pufferschicht 2, die n Basisschicht 3, die zweite p Basiszone 6 und die n Emitterzone 8 gerät in den sogenann ten Latch-up-Zustand. In diesem Fall arbeitet das Bauelement in einer Thyristor-Betriebsart. Zum Abschalten des EST wird der MOSFET durch Absenken des Potentials der Gateelektrode 10 unter den Schwellenwert des lateralen MOSFET in den Sperrzustand versetzt. Als Folge wird die Emitterzone 8 potentialmäßig von der Kathodenelektrode 11 getrennt und das Bauelement hört auf, in der Thyristor-Betriebsart zu arbeiten.

Die Fig. 18 und 19 zeigen Querschnittsansichten verbesserter ESTs, wie sie in den US Patenten 5,317,171 und 5,319,222 offenbart sind. Insbesondere der verbesserte EST von Fig. 19 unter scheidet sich von demjenigen nach Fig. 17 und ist zur Erzielung einer verbesserten Durchlaß spannungscharakteristik ausgelegt.

Fig. 20 zeigt eine Querschnittsansicht eines FET-gesteuerten Thyristors, wie er in der US 4,502,070 offenbart ist. Dieser Thyristor zeichnet sich dadurch aus, daß die Elektrode 11 nicht die zweite Basiszone 6 kontaktiert.

Wie sich aus dem Voranstehenden ergibt, nutzt der in Fig. 17 gezeigte EST den Löcherstrom in der zweiten Basiszone 6 in Z-Richtung, um den pn-Übergang zwischen der zweiten Basiszone 6 und der Emitterzone 8 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, weshalb der Grad der Vorspannung in Durchlaßrichtung in Z-Richtung zur Kontaktfläche der zweiten Basiszone 6 mit der Kathodenelek trode 11 hin abnimmt. Das heißt, die Menge der von der Emitterzone 8 injizierten Elektronen ist über die Länge des pn-Übergangs in Z-Richtung nicht gleichförmig. Wenn dieser EST vom Leitzu stand in den Sperrzustand geschaltet wird, gerät zunächst ein schwach vorgespannter Abschnitt des pn-Übergangs nahe der Kontaktzone mit der Kathodenelektrode 11 in den Sperrzustand, während ein tiefer vorgespannter Abschnitt des pn-Übergangs weiter entfernt von der Kontakt zone mit der Kathodenelektrode 11 diesen Sperrzustand nur langsam annimmt. Daraus ergibt sich eine Tendenz zu einer lokalen Stromkonzentration beim Abschalten verbunden mit einer verringerten Durchbruchsfestigkeit des EST während des Abschaltens.

Obwohl der in Fig. 18 gezeigte EST ähnlich arbeitet wie derjenige in Fig. 17, kann der EST von Fig. 18 schneller abgeschaltet werden, da sich die Kathodenelektrode 11 in Y-Richtung erstreckt und mit der Oberfläche der zweiten Basiszone 6 direkt im Kontakt steht. Weiterhin zeigt der EST von Fig. 18 eine gleichförmige Einschaltcharakteristik infolge des Fehlens eines Löcherstroms in der Z-Richtung. Beim Betrieb dieses Thyristors werden jedoch Minoritätsladungsträger nicht gleichförmig in der Horizontalrichtung (Y-Richtung) injiziert, wenn der pn-Übergang zwischen der Emitterzone 8 und der zweiten Basiszone 6 eingeschaltet wird, weshalb die Durchlaßspannung nicht in erwartetem Maß abgesenkt werden kann. Wenn zur Lösung dieses Problems beispiels weise die Störstellenkonzentration der zweiten Basiszone 6 zur Erhöhung ihres Widerstands ver ringert wird, durchbricht eine Verarmungsschicht die Emitterzone 8 bei in Durchlaßrichtung ange legter Spannung. Dieser herkömmliche EST erreicht daher keine zufriedenstellend hohe Durch bruchs- bzw. Stehspannung.

Bei dem in Fig. 19 gezeigten Bauelement erstreckt sich die Emitterzone 8 über die zweite Basis zone 6 hinaus, damit die Durchlaßspannung weiter gesenkt wird. Dieser Aufbau bereitet jedoch Probleme hinsichtlich der Stehspannung in Durchlaßrichtung.

Bei dem in Fig. 20 gezeigten Bauelement sind die Emitterzone 8 und die zweite Basiszone 6 von der Kathodenelektrode 11 völlig getrennt, womit der ungleichförmige Betrieb des Thyristors ver hindert wird. Dieser Aufbau hat jedoch folgende Nachteile. Zum einen ist die Durchbruchsspan nung des Bauelements verringert, da der Löcherstrom so durch das Bauelement fließt, daß er sich an der Seite der ersten Basiszone 4 konzentriert. Zum anderen ist der Leitwert beim Betrieb des Thyristors in der IGBT-Betriebsart infolge des Kontakt-FET-Effekts verringert.

Zusätzlich leiden sowohl der EST als auch der FET-gesteuerte Thyristor daran, daß der maximale Strom (Grenzstrom), der durch das Bauelement fließen kann, groß ist und die Bauelemente eine geringe Durchbruchsfestigkeit im Fall von Lastkurzschlüssen aufweisen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Thyristor mit isoliertem Gate zu schaffen, bei dem der pn-Übergang beim Abschalten des Thyristors gleichmäßig die Sperrfähig keit annimmt, bei dem eine erhöhte Abschaltfestigkeit gewährleistet ist und der eine hohe Durchbruchsfestigkeit bei Lastkurzschluß aufweist, wobei zugleich eine ausreichend niedrige Durchlaßspannung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Thyristor mit isoliertem Gate gelöst, wie er in den Patentansprüchen 1, 2, 3, 4 bzw. 5 beansprucht wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wenn bei einem Thyristor mit einem Aufbau gemäß Patentanspruch 1 eine Spannung an die iso lierte Gateelektrode angelegt wird, so daß eine Inversionsschicht gerade unterhalb der Gateelek trode auftritt, wird das Potential der Emitterzone des ersten Leitungstyps über einen Kanal des MOSFETs gleich dem der ersten Hauptelektrode, wodurch ein Thyristor eingeschaltet wird, der von der Emitterzone des ersten Leitungstyps, der zweiten Basiszone des zweiten Leitungstyps, der Basisschicht des ersten Leitungstyps und der Emitterschicht des zweiten Leitungstyps gebil det wird. Da beim Einschalten des Thyristors Elektronen gleichförmig von der gesamten Emitter zone des ersten Leitungstyps injiziert werden, schaltet das Bauelement rasch in eine Thyristor-Betriebsart, und die Durchlaßspannung wird verringert. Der Einschaltbetrieb dieses Bauelements erfordert keinen Löcherstrom in Z-Richtung durch die zweite Basiszone des zweiten Leitung styps, wie dies bei dem herkömmlichen EST der Fall ist. Bei Abschalten andererseits kann der pn-Übergang gleichförmig seine Sperrfähigkeit annehmen, ohne daß eine Stromkonzentration auftritt mit dem Ergebnis einer erhöhten Durchbruchsfestigkeit. Ferner wird die Diffusionstiefe der zweiten Basiszone des zweiten Leitungstyps so gewählt, daß sie kleiner ist als die größere derjenigen der ersten Basiszone des zweiten Leitungstyps und der Wannenzone des zweiten Lei tungstyps, wodurch die Konzentration des elektrischen Feldes beim Anlegen einer Spannung vermieden werden kann, was zu einer hohen Stehspannung und einer erhöhten Durchbruchsfe stigkeit des Bauelements führt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Basiszone des zweiten Leitungstyps eine Oberflächen-Störstellenkonzentration auf, die geringer als diejenige der ersten Basiszone des zweiten Leitungstyps ist. In diesem Fall wird die Leitfähigkeit der Inversions schicht, die an der Oberfläche der zweiten Basiszone des zweiten Leitungstyps beim Anlegen einer Spannung an die Gateelektrode auftritt, verbessert.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Sourcezone des ersten Leitungstyps eine erste Teilzone mit einer ersten Oberflächen-Störstellenkonzentration und eine zweite Teilzone mit einer zweiten Oberflächen-Störstellenkonzentration, die niedriger als die erste Oberflächen-Störstellenkonzentration ist. In diesem Fall steht die erste Hauptelektrode in Kontakt mit einer Oberfläche der ersten Teilzone mit der höheren Oberflächen-Störstellenkonzentration.

Bei dieser Anordnung bewirkt die zweite Teilzone der Sourcezone des ersten Leitungstyps mit der geringeren Oberflächen-Störstellenkonzentration einen Begrenzungswiderstand, durch den der Grenzstrom verringert wird. Andererseits wird durch das Vorhandensein der ersten Teilzone der Sourcezone des ersten Leitungstyps mit relativ hoher Oberflächen-Störstellenkonzentration der Kontaktwiderstand nicht erhöht.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Thyristor mit isolier tem Gate eine Hilfszone des ersten Leitungstyps, die in dem freiliegenden Abschnitt der Basis schicht des ersten Leitungstyps zwischen der ersten und der zweiten Basiszone des zweiten Leitungstyps ausgebildet ist. Die Hilfszone weist eine Störstellenkonzentration auf die höher ist als diejenige der Basisschicht, und eine Diffusionstiefe, die kleiner ist als diejenige der ersten und der zweiten Basiszone. In dieser Anordnung kann der Kontakt-FET-Effekt verringert werden, und die effektive Kanallänge kann reduziert werden, was zu einer Reduzierung der Durchlaßspannung führt.

Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein erster Teil des Gateisolierfilms auf dem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht des ersten Leitungstyps, der zwischen den zwei ersten Basiszonen des zweiten Leitungstyps liegt, eine größere Dicke auf als ein zweiter Teil des Gateisolierfilms auf dem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht des ersten Leitungstyps, der zwischen der ersten und der zweiten Basiszone liegt. In dieser Anordnung kann die Gatekapazität verringert werden, und hochfrequente Schwingungsanteile können verringert werden.

Im Fall der Weiterbildung gemäß Anspruch 11 bzw. 15 kann das Halbleitersubstrat mit erhöhter Effizienz genutzt werden, und der das Bauelement durchfließende Strom kann gleichförmig ver teilt werden, was ein verbessertes thermisches Gleichgewicht gewährleistet.

Im Fall der Weiterbildungen der Ansprüche 12 bzw. 13 wird der von der Emitterzone des ersten Leitungstyps zur Sourcezone des ersten Leitungstyps durch den Kanal fließende Strom verteilt, wodurch eine Stromkonzentration oder Lokalisierung vermieden wird.

Im Fall der Weiterbildung gemäß Anspruch 14, wird in der Oberflächenschicht der Halbleiter schicht des ersten Leitungstyps, die unter der Gateelektrode liegt, eine Akkumulationsschicht gebildet, was zu einer Verringerung der Durchlaßspannung führt.

Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 16 fließt der Strom von der Emitterzone des ersten Lei tungstyps zur Sourcezone des ersten Leitungstyps über einen Inversionskanal gerade unterhalb der Gateelektrode nicht durch einen Abschnitt nahe der Emitterzone des ersten Leitungstyps, was eine Verriegelung (Latch-up) eines parasitären Transistors vermeidet. Ferner wird der Grenz strom infolge der Wirkung als Vorschaltwiderstand verringert und damit die Durchbruchsfestig keit erhöht.

Im Fall der Weiterbildung gemäß Anspruch 17 wird die Injektion von Elektronen in einem Thyri storabschnitt erhöht, und der Stromverstärkungsfaktor des Transistors wird erhöht mit der Folge einer Verringerung der Durchlaßspannung.

Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 18 kann die Lebensdauerverteilung der Ladungsträger optimal gesteuert werden derart, daß keine Lebensdauerkiller in unnötigen Abschnitten vorhan den sind, womit eine Erhöhung der Durchlaßspannung und andere unerwünschte Einflüsse ver mieden werden.

Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 19 verhindert die Pufferschicht des ersten Leitungstyps, die eine hohe Störstellenkonzentration aufweist, daß sich eine Verarmungsschicht ausdehnt, wodurch es ermöglicht wird, die Dicke der Basisschicht des ersten Leitungstyps zu verringern. Dieser Aufbau eignet sich für einen Hochspannungs-Thyristor mit isoliertem Gate.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil eines Thyristors mit isoliertem Gate gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 2(a) ist eine Querschnittsansicht mit einer sich durch die Mitte der Gateelektrode des Thy ristors von Fig. 1 erstreckenden horizontalen Schnittebene,

Fig. 2(b) ist eine Draufsicht auf die Oberfläche eines Siliziumsubstrats dieses Thyristors,

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht mit einer sich durch die Mitte der Gateelektrode eines Thyristors mit isoliertem Gate gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erstreckenden horizontalen Schnittebene,

Fig. 4(a) ist eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A′ in Fig. 3,

Fig. 4(b) ist eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 3,

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die den RBSOA-Bereich eines Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform sowie von Vergleichs-Bauelementen jeweils der 600 V-Klasse zeigt,

Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Schaltung zur Messung des RBSOA-Bereichs,

Fig. 7(a) ist eine Querschnittsansicht mit einer horizontalen Schnittebene, die sich durch die Mitte von Gateelektroden eines Thyristors mit isoliertem Gate gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt,

Fig. 7(b) ist eine Draufsicht, die die Oberfläche eines Siliziumsubstrats dieses Thyristors zeigt,

Fig. 8(a) und 8(b) sind Querschnittsansichten eines Teiles eines Thyristors mit isoliertem Gate gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die den RBSOA-Bereich eines Bauelements der vierten Ausführungsform und von Vergleichs-Bauelementen jeweils der 2500 V-Klasse zeigt,

Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die die Abschaltzeit über der Durchlaßspannung für ein Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform und Vergleichs-Bauelemente jeweils der 600 V-Klasse zeigt,

Fig. 11 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 10 für ein Bauelement der vierten Ausführungsform und Vergleichs-Bauelemente jeweils der 2500 V-Klasse,

Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht eines Teiles eines Thyristors mit isoliertem Gate gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 13 ist eine graphische Darstellung einer Strom-Spannungs-Kennlinie des Thyristors der sechsten Ausführungsform,

Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil eines Thyristors mit isoliertem Gate gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil eines Thyristors mit isoliertem Gate gemäß einer Modifikation der siebten Ausführungsform zeigt,

Fig. 16(a) und 16(b) sind Querschnittsansichten, die einen Teil eines Thyristors mit isoliertem Gate gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen,

Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht, die eine herausgeschnittene Einheitszelle eines EST zeigt,

Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht, die einen verbesserten EST zeigt,

Fig. 19 ist eine Querschnittsansicht, die einen weiter verbesserten EST zeigt, und

Fig. 20 ist eine Querschnittsansicht, die einen FET-gesteuerten Thyristor zeigt.

Im Verlauf der Entwicklung des herkömmlichen EST zur Erzeugung von Prototypen verschiedener Thyristoren mit isoliertem Gate mit der Absicht, die oben beschriebenen Probleme zu lösen, haben die Erfinder herausgefunden, daß keine Notwendigkeit besteht, die erste Hauptelektrode mit der zweiten Basiszone des zweiten Leitungstyps zu kontaktieren. Selbst wenn die Oberfläche dieser zweiten Basiszone mit einem Isolierfilm bedeckt ist, kann das resultierende Bauelement in die Thyristor-Betriebsart geschaltet werden, die zu einem guten Kompromiß zwischen der Durchlaßspannung und der Abschaltzeit führt. Die Erfinder stellten ferner Analysen hinsichtlich der in der Ebene der Bauelemente betrachteten Muster sowie der Störstellenkonzentrationen an.

Als Ergebnis der Analysen wurde gefunden, daß die Stehspannungseigenschaft und die Durch laßspannung durch Verändern der Diffusionstiefen und Störstellenkonzentrationen der ersten und der zweiten Basiszone des zweiten Leitungstyps verbessert werden. Es wurde außerdem gefun den, daß sich durch jede der folgenden Maßnahmen eine gute Wirkung oder ein guter Einfluß auf das Bauelement einstellt: Ausbilden der Sourcezone des ersten Leitungstyps als zwei Teilzonen mit hoher bzw. niedriger Störstellenkonzentration, Ausbilden einer Hilfszone hoher Konzentration in einer Oberflächenschicht der Basisschicht des ersten Leitungstyps, und Variieren der Dicke eines oder mehrerer lokaler Abschnitte des Gateoxidfilms.

Die erste und die zweite Basiszone des zweiten Leitungstyps können in der Form von parallel zueinander verlaufenden Streifen ausgebildet werden, sie können aber auch eine polygonale, kreisförmige oder elliptische Form aufweisen. Wenn die erste Basiszone des zweiten Leitungs typs so angeordnet wird, daß sie die zweite Basiszone des zweiten Leitungstyps umgibt, kann die Stromkonzentration verringert oder vermieden werden, was zu verbesserten Kompromißei genschaften des Bauelements führt. Eine Vielzahl der ersten Basiszonen des zweiten Leitungs typs kann vorteilhafterweise um die zweite Basiszone des zweiten Leitungstyps herum ausgebil det werden. Es ist auch vorteilhaft, die Diffusionsdicke der Emitterzone des ersten Leitungstyps zu variieren und Lebensdauerkiller in lokalen Bereichen des Thyristors vorzusehen.

Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, bei denen die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 17 zur Bezeichnung von strukturell und/oder funktional entsprechenden Elementen verwendet werden. In der folgen den Beschreibung verweisen "n" oder "p" in Verbindung mit einer Zone oder Schicht darauf, daß die jeweilige Zone oder Schicht Elektronen bzw. Löcher als Majoritätsladungsträger besitzt. Wäh rend bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erste Leitungstyp der n Typ und der zweite Leitungstyp der p Typ ist, können diese beiden Leitungstypen genauso gut vertauscht werden.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teiles eines Thyristors gemäß einer ersten Ausfüh rungsform der Erfindung. Die Darstellung in Fig. 1 zeigt nur eine Einheitszelle des Thyristors. Tatsächlich wird ein Vielzahl solcher Einheitszellen zur Bildung des Halbleiterbauelements inver tiert bzw. gespiegelt und wiederholt. Der Thyristor von Fig. 1 besitzt einen Halbleitersubstratab schnitt, der strukturell ähnlich dem des EST von Fig. 17 ist. Genauer gesagt sind eine erste p Basiszone 4 und eine zweite p Basiszone 6 in einer Oberflächenschicht einer von zwei entgegen gesetzten Oberflächen einer n Basisschicht 3 mit hohem spezifischen Widerstand derart ausge bildet, daß diese beiden Basiszonen 4, 6 voneinander beabstandet sind. Eine p⁺ Wannenzone 5 mit größerer Diffusionstiefe als die erste Basiszone 4 ist in einem Teil dieser Basiszone 4 aus gebildet, um ein Latch-up eines parasitären Thyristors zu vermeiden. Unter Zwischenlage einer n⁺ Pufferschicht 2 ist eine p Emitterschicht 1 auf der anderen Oberfläche der Basisschicht 3 ausgebildet. Eine n Sourcezone 7 ist einem ausgewählten Abschnitt einer Oberflächenschicht der ersten Basiszone 4 ausgebildet, und eine n Emitterzone 8 ist einem ausgewählten Abschnitt einer Oberflächenschicht der zweiten Basiszone 6 ausgebildet. Wie bei dem Thyristor von Fig. 17 ist eine Gateelektrode 10 auf einem Gateoxidfilm 9 über den Oberflächen der ersten Basiszone 4, einem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht 3 und der zweiten Basiszone 6, die zwischen der Sourcezone 7 und der Emitterzone 8 liegen, ausgebildet, um so einen lateralen n-Kanal-MOSFET zu schaffen. Die Oberfläche des MOSFET an der Seite der Gateelektrode 10 ist mit einem Isolierfilm 14 aus Phosphorglas (PSG) bedeckt, und in dem Isolierfilm 14 befindet sich ein Kontakt loch, durch das eine Kathodenelektrode 11 die Oberflächen sowohl der ersten Basiszone 4 als auch der Sourcezone 7 kontaktiert. Die Oberfläche der Emitterzone 8 ist mit einem Isolierfilm 19 bedeckt. Eine Anodenelektrode 12 ist an der Oberfläche der Emitterschicht 1 vorgesehen.

Fig. 2(a) zeigt eine Querschnittsansicht längs einer horizontalen Ebene, die sich durch die Mitte der Gateelektrode 10 des Thyristors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erstreckt. In Fig. 2(a) dienen dieselben Bezugszahlen wie in Fig. 1 zur Bezeichnung einander entsprechender Ele mente. Wie in Fig. 2 (a) gezeigt, sind hexagonale Isolierfilme 19 in dem Netzwerk der Gateelek trode 10 vorgesehen, und hexagonale Kathodenelektroden 11, jeweils von dem Isolierfilm 14 umgeben, sind um jeden der Isolierfilme 19 herum angeordnet. Dieses Muster von Gateelektrode 10, Isolierfilm 19, Kathodenelektroden 11 und Isolierfilmen 14 wiederholt sich in dem Thyristor. Obwohl die Kathodenelektrode 11 im Querschnitt von Fig. 2(a) eine hexagonale Form aufweist, erstreckt sie sich in tatsächlichen Bauelementen oft über die Gateelektrode 10 unter Zwischen lage des Isolierfilms 14, wie sich aus der Querschnittsansicht von Fig. 1 ergibt.

Fig. 2(b) ist eine Draufsicht, die jeweilige Diffusionszonen zeigt, welche in der Oberfläche des Siliziumsubstrats des Thyristors von Fig. 1 ausgebildet sind, von dem Isolierfilme und Elektroden entfernt wurden. Die Emitterzonen 8 sind in Abschnitten des Siliziumsubstrats an Stellen unter den hexagonalen Isolierfilmen 19, die in Fig. 2(a) gezeigt sind, ausgebildet, und jede der Emitter zonen 8 ist von der zweiten Basiszone 6 umgeben. Im wesentlichen ringförmige Sourcezonen 7 hexagonaler Gestalt sowie die Wannenzonen 5 innerhalb der Sourcezonen 7 sind in Abschnitten des Siliziumsubstrats an Stellen unterhalb der Kathodenelektroden 11 ausgebildet, wobei jede der Zonen 7 von der ersten Basiszone 4 umgeben ist. Die Basisschicht 3 liegt zwischen den ersten Basiszonen 4 und den zweiten Basiszonen 6 und zwischen jeweils zwei benachbarten ersten Basiszonen 4 frei. Die ersten Basiszonen 4, die zweiten Basiszonen 6 und der freiliegende Abschnitt der Basisschicht 3 befinden sich unterhalb der Gateelektrode 10 von Fig. 2(a).

Der Thyristor des ersten Ausführungsbeispiels kann im wesentlichen mit demselben Verfahren wie der herkömmliche IGBT unter Verwendung unterschiedlicher Masken zur Ausbildung der jeweiligen Diffusionszonen hergestellt werden. Zur Herstellung eines Bauelements der 600 V-Klasse werden beispielsweise eine n Schicht mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ωcm und 10 µm Dicke zur Schaffung der n⁺ Pufferschicht 2 sowie eine n Schicht mit einem spezifi schen Widerstand von 40 Ωcm und 55 µm Dicke zur Schaffung der n Basisschicht 3 epitaxial auf einem p Siliziumsubstrat einer Dicke von 450 µm und eines spezifischen Widerstands von 0,02 Ωcm zur Schaffung eines Epitaxial-Wafers aufgewachsen. Die erste und die zweite p Basiszone 4, 6 und die p Emitterschicht 1 werden durch Implantieren von Borionen und thermische Diffu sion ausgebildet, und die n Emitterzone 8 und die n Sourcezone 7 werden durch Implantation von Arsenionen und Phosphorionen und thermische Diffusion ausgebildet. Die Kanten der ersten Basiszone 4, der zweiten Basiszone 6, der Sourcezone 7 und der Emitterzone 8 werden durch die aus polykristallinem Silizium gebildete Gateelektrode 10 und andere auf dem Halbleitersubstrat bestimmt, und die Abstände zwischen diesen Zonen 4, 6, 7 und 8 werden durch die Diffusion der jeweiligen Zonen in seitlichen Richtungen bestimmt. Die Kathodenelektrode 11 besteht aus einer Al-Legierung und ist durch Sputtern ausgebildet, und die Anodenelektrode 12, die mit einem Metallsubstrat verlötet werden soll, besteht aus drei Schichten aus Ti, Ni und Au, die schichtweise durch Sputtern ausgebildet sind. Das Bauelement wird mit Heliumionen bestrahlt, um die Ladungsträgerlebensdauer zu steuern und dadurch die Schaltzeit zu verringern. Die Bestrahlung mit Heliumionen ist ein Verfahren zur Schaffung von Kristalldefekten, die in lokalen Abschnitten des Bauelements Lebensdauerkiller bilden, und wird unter Bedingungen einer Beschleunigungsspannung von 24 MeV und einer Dosis von 1 × 10¹¹ bis 1 × 10¹² cm^-2 ausge führt. Nach der Bestrahlung wird das Bauelement bei 350 bis 375°C wärmebehandelt bzw. angelassen.

Die Diffusionstiefe der Wannenzone 5 beträgt 7 µm und jene der ersten und der zweiten Basis zone 4, 6 beträgt 3 µm. Die Diffusionstiefen der Emitterzone 8 und der Sourcezone 7 betragen 2 µm bzw. 0,4 µm. Werden die Diffusionstiefen der jeweiligen Zonen in dieser Weise eingestellt, weist der pnp Transistor des Thyristorabschnitts einen erhöhten Stromverstärkungsfaktor auf und zeigt eine reduzierte Durchlaßspannung. Die Breite der Gateelektrode 10, gemessen zwi schen der ersten und der zweiten Basiszone beträgt 15 µm und die Breite der Elektrode 10′ gemessen zwischen zwei ersten Basiszonen 4 beträgt 30 µm, während die Breite der Sourcezone 7 4 µm beträgt. Das Zellenrastermaß beträgt 55 µm. Der Abschnitt der Emitterzone 8, der nahe bei der ersten Basiszone 4 liegt, weist unter Berücksichtigung der Stehspannung im wesentlichen dieselbe Tiefe wie die Sourcezone 7 auf.

Die Betriebsweise des gemäß obiger Beschreibung aufgebauten Thyristors soll nun beschrieben werden. Wenn die Kathodenelektrode 11 an Masse liegt und eine positive Spannung gleich oder größer als ein bestimmter (Schwellen-)Wert an die Gateelektrode 10, 10′ angelegt wird, während eine positive Spannung an der Anodenelektrode 12 anliegt, wird eine Inversionsschicht (Teilakkumulationsschicht) unter dem Gateoxidfilm 9 gebildet, und der laterale MOSFET wird eingeschaltet. Als Folge davon werden Elektronen anfänglich von der Kathodenelektrode 11 über die Sourcezone 7 und den in der Oberflächenschicht der ersten Basiszone 4 gebildeten Kanal des MOSFETs zur Basisschicht 3 geliefert. Diese Elektronen wirken als Basisstrom für einen pnp Transistor, der aus der Emitterschicht 1, der Pufferschicht 2, der Basisschicht 3 und der Basis zone 4 (Wannenzone 5) besteht. Der Transistor arbeitet mit diesem Basisstrom in der IGBT-Betriebsart.

Wenn der pnp Transistor auf diese Weise eingeschaltet ist, werden Löcher von der Emitter schicht 1 injiziert und fließen über die Pufferschicht 2 und die Basisschicht 3 in die erste Basis zone 4. Das Potential der zweiten Basiszone 6, die sich in einem schwimmenden Zustand befin det, steigt aufgrund des Löcherstroms durch die Basisschicht 3 langsam an. Wie sich aus der Querschnittsansicht von Fig. 1 ergibt, wird, wenn der Transistor eingeschaltet ist, das Potential der Emitterzone 8 über den Kanal des MOSFET im wesentlichen gleich demjenigen der Source zone 7 gehalten, weshalb Elektronen nach einer Weile beginnen von der Emitterzone 8 in die zweite Basiszone 6 injiziert zu werden. Damit arbeitet ein Thyristorabschnitt, der aus der Emit terschicht 1, der Pufferschicht 2, der Basisschicht 3, der zweiten Basiszone 6 und der Emitter zone 8 besteht, in einer Thyristor-Betriebsart.

Zum Abschalten wird das Potential der Gateelektrode 10, 10′ unter den Schwellenwert des late ralen MOSFETs abgesenkt, um den lateralen MOSFET zu sperren, so daß die Emitterzone 8 elek trisch von der Kathodenelektrode 11 getrennt wird und der Betrieb des Thyristorabschnitts stoppt.

Bei dem Thyristor von Fig. 1 sind die Oberflächen sowohl der zweiten Basiszone 6 als auch der Emitterzone 8 mit dem Isolierfilm 19 bedeckt, und die zweite Basiszone 6 steht nicht in Kontakt mit der Kathodenelektrode 11. Weiterhin ist die Diffusionstiefe der zweiten Basiszone 6 kleiner als die der Wannenzone 5.

Wenn der Transistor eingeschaltet wird, wird daher das Potential der Emitterzone 8 über den gerade unterhalb der Gateelektrode 10 gebildeten Kanal im wesentlichen gleich dem der Katho denelektrode 11 gehalten. Als Folge nimmt das Potential der zweiten Basiszone 6 infolge des Löcherstroms durch die Basisschicht 3 allmählich zu, bis Elektronen von der Emitterzone 8 in die zweite Basiszone 6 injiziert werden. Auf diese Weise wird der Thyristor bestehend aus der Emit terzone 8, der zweiten Basiszone 6, der Basisschicht 3 und der Emitterschicht 1 eingeschaltet. Somit kann die IGBT-Betriebsart rasch zu der Thyristor-Betriebsart umgeschaltet werden, ohne daß ein Löcherstrom in Z-Richtung in der zweiten Basiszone fließt, wie dies beim herkömmlichen EST der Fall ist. Ferner wird die Durchlaßspannung gesenkt, da die Elektronen gleichförmig von der Emitterzone 8 als ganzes injiziert werden.

Beim Abschalten andererseits kann der pn-Übergang zwischen der Emitterzone 8 und der zwei ten Basiszone 6 infolge des zwischen ihnen bestehenden Potentialunterschieds gleichförmig seine Sperrfähigkeit annehmen, wodurch eine Stromlokalisierung oder -konzentration vermieden werden kann, was eine deutliche Erhöhung des RBSOA-Bereichs garantiert. Da ferner eine Viel zahl erster Basiszonen 4 mit in ihren Oberflächenschichten vorhandenen Sourcezonen 7 um die zweite Basiszone 6 herum angeordnet sind, wie in Fig. 2(b) gezeigt, ist das Bauelement dieses Ausführungsbeispiels frei von Stromkonzentrationen oder -lokalisierung und besitzt eine hohe Durchbruchsfestigkeit. Die Durchbruchsfestigkeit wird teilweise dadurch erhöht, daß eine Strom konzentration beim Anlegen einer hohen Spannung durch Einstellen der Diffusionstiefe der zwei ten Basiszone 6 kleiner als die der Wannenzone 5 vermieden werden kann.

Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau kann auf Thyristoren mit verschiedenen anderen als den in Fig. 2 gezeigten Mustern angewendet werden, einschließlich Mustern, bei denen die ersten Basiszonen so angeordnet sind, daß sie die zweiten Basiszonen umgeben, und Mustern, bei denen sowohl die ersten als auch die zweiten Basiszonen als Streifen ausgebildet sind oder rechteckige Form aufweisen.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Thyristors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich die Schnittebene durch die Mitte der Gateelektrode 10 des Thyristors erstreckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind hexagonale Isolierfilme 19 und hexagonale Iso lierfilme 14 in dem Netzwerk der Gateelektrode 10 ausgebildet, und Kathodenelektroden 11, die sich in drei Richtungen zu den Oxidfilmen hin erstrecken, sind innerhalb der Isolierfilme 14 aus gebildet. Die mit den Kathodenelektroden 11 darin versehenen Isolierfilme 14 sind um jeden der Isolierfilme 19 herum angeordnet, die die Kathodenelektroden 11 nicht aufweisen. Die gepunkte ten Linien in Fig. 3 deuten pn-Übergänge zwischen den n Sourcezonen 7 und den p⁺ Wannen zonen 5 an.

Eine Draufsicht, die die jeweiligen Diffusionszonen zeigt, welche in der Oberfläche des Silizium substrats des Thyristors des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet sind, von dem Isolierfilme und Elektroden entfernt wurden, ist ähnlich der Ansicht von Fig. 2(b). Das heißt, die n Emitter zonen 8 sind in Abschnitten des Siliziumsubstrats an Stellen unterhalb der hexagonalen Isolier filme 19 ausgebildet, und jede der Emitterzonen 8 ist von einer zweiten p Basiszone 6 umgeben. Die Kathodenelektroden 11 stehen im Kontakt jeweils mit den Oberflächen eines Teiles der Sourcezone 7 und der Wannenzone 5. Der größte unterhalb der Gateelektrode 10 liegende Teil besteht aus dem freiliegenden Abschnitt der n Basisschicht 3.

Fig. 4(a) ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A′ von Fig. 3, die einen Isolierfilm 19 und eine Kathodenelektrode 11 verbindet. Während der in der Querschnittsansicht von Fig. 4(a) gezeigte Aufbau ähnlich demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 1 ist, ist die gesamte Ober fläche der Sourcezone 7 mit dem Isolierfilm 14 bedeckt und steht somit nicht im Kontakt mit der Kathodenelektrode 11. Anders ausgedrückt, die Kathodenelektrode 11 ist nur mit der Oberfläche der Wannenzone 5 im Kontakt.

Fig. 4(b) zeigt andererseits eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B′ in Fig. 3, die eine der Kathodenelektroden 11 mit einer anderen Kathodenelektrode 11 verbindet. In diesem Quer schnitt ist die Kathodenelektrode 11 im Kontakt mit den Oberflächen sowohl der ersten Basis zone 4 als auch der Sourcezone 7, wie dies bei dem Thyristor des ersten Ausführungsbeispiels der Fall ist.

Der Thyristor mit dem Muster von Fig. 3 kann mit im wesentlichen demselben Verfahren wie derjenige des ersten Ausführungsbeispiels hergestellt werden, und die Betriebsweise des Thyri stors von Fig. 3 ist ebenfalls ähnlich derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels und soll daher hier nicht beschrieben werden.

Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Thyristor des zweiten Ausführungsbeispiels so aufgebaut, daß die Diffusionstiefe der zweiten Basiszone 6 kleiner als die der Wannenzone 5 ist, womit eine Stromkonzentration beim Anlegen einer hohen Spannung vermieden wird und eine erhöhte Durchbruchsfestigkeit gewährleistet ist.

Bei dem Thyristor des zweiten Ausführungsbeispiels sind die Oberflächen der zweiten Basiszone 6 und der in ihrer Oberflächenschicht ausgebildeten Emitterzone 8 mit dem Isolierfilm 19 bedeckt, wie in Fig. 4(a) gezeigt. Mit dieser Anordnung wird der Thyristor, der aus der Emitter zone 8, der zweiten Basiszone 6, der Basisschicht 3 und der Emitterschicht 1 besteht, gleich förmig ein- und ausgeschaltet, was ein schnelles Schaltverhalten und einen großen RBSOA-Be reich sicherstellt, wie dies im Hinblick auf die Betriebsweise des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde. Ferner bedeckt der Isolierfilm 14 die Oberfläche der Sourcezone 7, die in einem Teil der ersten Basiszone 4 ausgebildet ist, welcher nahe der zweiten Basiszone 6 und der Emitterzone 8 liegt, so daß der betroffene Teil der Sourcezone 7 die Kathodenelektrode 11 nicht kontaktiert. Wenn beim Abschalten der Strom von der Emitterzone 8 über eine gerade unterhalb der Gateelektrode 10 gebildete Inversionsschicht zur Sourcezone 7 fließt, wird daher die Source zone 7 nahe der zweiten Basiszone 6 nicht mit der Kathodenelektrode 11 kurzgeschlossen, was ein Latch-up eines parasitären Thyristors verhindert, der sich aus der Sourcezone 7, der ersten Basiszone 4, der Basisschicht 3 und der Emitterschicht 1 zusammensetzt. Demgemäß kann die Abschaltzeit in vorteilhafter Weise verringert werden, und zwar im Vergleich mit dem herkömmli chen Bauelement, bei dem die Abschaltzeit durch Injektion von Elektronen von der Sourcezone 7 erhöht wird.

Obwohl die Kathodenelektrode 11 mit der Sourcezone 7 in dem Abschnitt des Bauelements im Kontakt steht, wo eine Sourcezone 7 einer anderen zugewandt ist, wie in Fig. 4(b) dargestellt, ist nicht zu erwarten, daß dieser Abschnitt ein Latch-up bewirkt, da die Wannenzone 5 mit hoher Störstellenkonzentration in einem unteren Teil der ersten Basiszone 4 ausgebildet ist.

Die graphische Darstellung von Fig. 5 zeigt Ergebnisse von Messungen des RBSOA-Bereichs des Thyristors des zweiten Ausführungsbeispiels von Fig. 3 sowie von ESTs als Vergleichsbeispielen einschließlich des EST-1, der in Fig. 17 gezeigt ist, des EST-2 von Fig. 18 und des EST-3 von Fig. 19, sowie eines IGBT als weiteres Vergleichsbeispiel. Der RBSOA-Bereich wurde bei 125°C mit einer in Fig. 6 gezeigten Meßschaltung gemessen. In der Darstellung von Fig. 5 ist die Span nung (V_AK) zwischen der Anode und der Kathode aufgetragen, während auf der Ordinate der elektrische Strom (I_AK) aufgetragen ist.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird ein zu messendes Bauelement 21 über eine Parallelschaltung aus einer 1 mH-Drossel 22 und einer Freilaufdiode 23 mit einer Stromquelle 24 verbunden, und das Gate des Bauelements 21 wird über einen Widerstand 25 mit 20 Ω mit einer Gatestromversor gung 26 verbunden.

Die Bauelemente, deren Meßergebnisse in Fig. 5 dargestellt sind, wurden als Bauelemente der 600 V-Klasse hergestellt, und die Vergleichs-Bauelemente wurden unter Verwendung von Epita xialwafern hergestellt, die dieselben Spezifikationen wie dasjenige des oben beschriebenen Thy ristors des ersten Ausführungsbeispiels aufwiesen. Die n Emitterzone 8 sowohl des EST-2 als auch des EST-3 besaß eine Breite von 20 µm. Alle fünf Bauelemente der Fig. 3, 17, 18, 19 und des IGBT besaßen eine Chipgröße von 1 cm². Die Durchlaßspannungen, gemessen als Potential abfall bei einem Strom von 100 A, betrugen 0,9 V für den Thyristor des zweiten Ausführungs beispiels, 1,6 V für den EST-1, 1,7 V für den EST-2, 1,0 V für den EST-3 und 2,3 V für den IGBT. Wie man aus Fig. 5 erkennt, weist das Bauelement gemäß dem zweiten Ausführungsbei spiel der Erfindung eine geringere Durchlaßspannung auf als die übrigen Bauelemente und besitzt einen sicheren Betriebsbereich, der dreimal so groß wie der des IGBT und zweimal so groß wie der des EST-1 und des EST-3 ist, was bedeutet, daß das vorliegende Bauelement eine hohe Durchbruchsfestigkeit besitzt. Während das vorliegende Bauelement im wesentlichen den glei chen Grad an Durchbruchsfestigkeit aufweist wie der EST-2, ist es letzterem gegenüber auf grund der geringeren Durchlaßspannung vorteilhaft. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit die Durchlaßspannung verringert werden, ohne daß andere Eigenschaften beeinträchtigt werden. Dies liegt daran, daß keine Stromkonzentration bei der Anordnung auftritt, bei der die Emitterzone 8 und die zweite Basiszone 6 in polygonaler Form ausgestaltet sind und diese Zonen 8, 6 von einer Vielzahl erster Basiszonen 4 umgeben sind.

Die Graphik in Fig. 10 zeigt die Kompromißcharakteristik zwischen der Durchlaßspannung und der Einschaltzeit der 600 V-Bauelemente, wie sie oben beschrieben wurden. Auf der Abszisse ist die Durchlaßspannung, auf der Ordinate die Abschaltzeit aufgetragen. Die Durchlaßspannung war definiert als der Potentialabfall, der bei 25°C bzw. 125°C und einer Stromdichte von 100 Acm^-2 auftritt. Die Abschaltzeit wurde bei 125°C gemessen. Man erkennt aus Fig. 10, daß das Bauelement des zweiten Ausführungsbeispiels eine bessere Kompromißcharakteristik als die ESTs und der IGBT aufweist.

Die bessere Kompromißcharakteristik wird erzielt, weil das Latch-up des parasitären Thyristors durch Beschichten der Oberfläche der Sourcezone 7 nahe der zweiten Basiszone 6 mit dem Iso lierfilm 14 verhindert wird. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel insbesondere wird durch Implantieren von Heliumionen eine Lebensdauersteuerung ausgeführt, um Kristalldefekte zu schaffen, die ihrerseits Lebensdauerkiller in lokalen Abschnitten des Bauelements bilden, um so die Verteilung der Lebensdauerkiller zu optimieren. Somit treten die Lebensdauerkiller nicht in unnötigen Abschnitten auf, was in einer weiteren Verbesserung der Kompromißcharakteristik zwischen der Durchlaßspannung und der Abschaltzeit resultiert.

Andere Muster des Thyristors mit isoliertem Gate wurden hergestellt, bei denen die Lebensdau ersteuerung durch Protonenbestrahlung ausgeführt wurde. Die Dosis war im wesentlichen äqui valent zu derjenigen der Heliumionen, wie sie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Die so hergestellten Bauelemente zeigten im wesentlichen dieselben Charakteristika wie das zweite Ausführungsbeispiel, bei dem die Lebensdauersteuerung durch Bestrahlung mit Heli umionen ausgeführt wurde.

Drittes Ausführungsbeispiel

Fig. 7(a) ist eine Querschnittsansicht eines Thyristors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und zwar mit einer Schnittebene, die sich durch die Mitte der Gateelektroden erstreckt. In Fig. 7(a) sind streifenförmige Isolierfilme 19 und leiterförmige Gateelektroden 10 so angeordnet, daß sie sich parallel zueinander erstrecken, und Kathodenelek troden 11 umgeben von Isolierfilmen 14 erkennt man in den Gateelektroden 10. Obwohl die Kathodenelektroden 11 mit rechteckiger Form in der Querschnittsansicht von Fig. 7(a) voneinan der getrennt sind, erstrecken sich diese Kathodenelektroden 11 tatsächlich über die Isolierfilme 14 und sind miteinander verbunden.

Fig. 7(b) ist eine Draufsicht, die jeweilige Diffusionszonen zeigt, welche in der Oberfläche des Siliziumsubstrats des Thyristors von Fig. 7(a) ausgebildet sind, von dem die Isolierfilme und die Elektroden entfernt wurden. Wie in der Figur gezeigt, sind n Emitterzonen 8 in streifenförmigen zweiten p Basiszonen 6 ausgebildet, und rechteckförmige n Sourcezonen 7 mit rechteckförmigen Löchern und p⁺ Wannenzonen 5 sind in rechteckförmigen ersten p Basiszonen 4 ausgebildet, die in Oberflächenschichten von leiterförmigen n Basisschichten 3 ausgebildet sind. Der größte Anteil der Abschnitte des Siliziumsubstrats, die gerade unterhalb der Gateelektrode 10 von Fig. 7(a) liegen, besteht aus freiliegenden Abschnitten der Basisschicht 3. Die Kathodenelektroden 11 liegen über den Sourcezonen 7 und den Wannenzonen 5 zum Kontakt mit diesen Zonen.

Der Querschnitt längs der Linie C-C′, der den Isolierfilm 19 mit einer Kathodenelektrode 11 ver bindet, ist identisch zu dem in Fig. 4(a) gezeigten, und der Querschnitt längs der Linie D-D′, der zwei benachbarte Kathodenelektroden 11 verbindet, ist identisch zu dem in Fig. 4(b) gezeigten. In diesem Querschnitt steht die Kathodenelektrode 11 im Kontakt mit den Oberflächen sowohl der ersten Basiszone 4 als auch der Sourcezone 7, wie dies bei dem Thyristor des ersten Ausfüh rungsbeispiels der Fall ist.

Der Thyristor des dritten Ausführungsbeispiels hat - in der Draufsicht gesehen - ein anderes Muster als der des zweiten Ausführungsbeispiels, liefert aber im wesentlichen dieselben Betriebsergebnisse.

Viertes Ausführungsbeispiel

Während bei den Bauelementen des ersten und des dritten Ausführungsbeispiels die Puffer schicht 2 zwischen der Emitterschicht 1 und der Basisschicht 3 vorgesehen ist, ist die vorlie gende Erfindung auch anwendbar auf ein ähnliches Bauelement ohne Pufferschicht 2. Die Fig. 8(a) und 8(b) sind Querschnittsansichten, die einen Teil eines Thyristors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, der unter Verwendung eines Bulk-Silizi umwafers (bzw. Block- oder Massiv-Siliziumwafer) anstelle eines Epitaxial-Wafers hergestellt wird. Das heißt, während der Aufbau an einer der entgegengesetzten Hauptflächen der n Basis schicht 3, die auf dem Bulk-Siliziumwafer ausgebildet ist, der gleiche ist wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 3, ist die p Emitterschicht 1 direkt auf der anderen Hauptfläche der Basisschicht 3 ausgebildet.

Die graphische Darstellung in Fig. 9 zeigt Ergebnisse von Messungen des RBSOA-Bereiches bei 125°C des Thyristors des vierten Ausführungsbeispiels mit dem Aufbau von Fig. 8 und dem Muster von Fig. 4, des EST-1, des EST-2, des EST-3 und des IGBT, bei denen es sich jeweils um Bauelemente der 2500-V-Klasse handelt. In der Darstellung von Fig. 9 sind auf der Abszisse und der Ordinate die Spannung zwischen der Anode und der Kathode bzw. der Strom aufgetragen. In diesem Fall betrug die Dicke der Basisschicht 3 440 µm. Die übrigen Abmessungen und anderes waren im wesentlichen gleich wie bei dem Thyristor des ersten Ausführungsbeispiels. Die Durchlaßspannung betrug 1,1 V für den Thyristor des vierten Ausführungsbeispiels, 2,0 V für den EST-1, 2,2 V für den EST-2, 1,4 V für EST-3 und 3,3 V für den IGBT. Wie im Fall der Bau elemente für die 600-V-Klasse unter Verwendung von Epitaxial-Wafern, die oben beschrieben sind, zeigen die in Fig. 9 gezeigten Meßergebnisse bezüglich der Bauelemente der 2500-V-Klasse unter Verwendung von Bulk-Wafern, daß der Thyristor des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung im Vergleich mit den ESTs und dem IGBT einen deutlich größeren RBSOA-Bereich und außerdem eine niedrige Durchlaßspannung aufweist. Dies liegt daran, daß eine Stromkon zentration bei Anlegen einer hohen Spannung dadurch vermieden werden kann, daß die Diffusi onstiefe der zweiten Basiszone 6 kleiner als die der Wannenzone 5 eingestellt wird. Bei der Anordnung, bei der sechs erste Basiszonen 4 mit Sourcezonen 7 in ihren Oberflächenschichten um jede der zweiten Basiszonen 6 mit der Emitterzonen 8 in ihrer Oberflächenschicht herum angeordnet sind, liegen die ersten und die zweiten Basiszonen 4, 6 einander über eine größere Länge gegenüber, was Stromkonzentrationen verhindert.

Es zeigt sich also, daß die Wirkungen der vorliegenden Erfindung, nämlich ein erhöhter RBSOA-Bereich und eine verringerte Durchlaßspannung nicht abhängig vom spezifischen Widerstand der n Basisschicht 3 und des Stromverstärkungsfaktors des pnp Transistors mit weiter Basis variie ren. Anders ausgedrückt, die vorliegende Erfindung führt zur Verringerung der Durchlaßspannung und zur Erhöhung des RBSOA-Bereichs ohne Beeinträchtigung der Nennspannung des Bauele ments und des Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterkristalls des Substrats des Bauelements.

Fig. 11 zeigt eine Kompromißcharakteristik zwischen der Durchlaßspannung und der Abschaltzeit der oben beschriebenen Bauelemente für 2500 V Nennspannung. Die Durchlaßspannung ist auf der Abszisse, die Abschaltzeit auf der Ordinate aufgetragen. Die Durchlaßspannung ist definiert als Potentialabfall bei 125°C bei einer Stromdichte von 50 Acm^-2. die Abschaltzeit wurde bei 125°C gemessen. Auf jeden Fall zeigt das Bauelement des vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit dem Aufbau von Fig. 8 und dem Muster von Fig. 2 eine bessere Kompromißcha rakteristik als die ESTs und der IGBT.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Die Querschnittsansicht eines Teiles eines Thyristors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist identisch mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels in Fig. 1.

Das fünfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten darin, daß die erste und die zweite Basiszone 4, 6 beim Thyristor des fünften Ausführungsbeispiels verschiedene Störstellen konzentrationen aufweisen.

Die erste p Basiszone 4 und die zweite p Basiszone 6 sind durch Implantieren von Borionen in den Mengen 2 × 10¹⁴ cm^-2 bzw. 8 × 10¹³ cm^-2 ausgebildet, was bedeutet, daß die Menge der in die zweite Basiszone 6 implantierten Borionen gegenüber der in der ersten Basiszone 4 um das 2,5fache reduziert ist. Die der Ionenimplantation folgende Wärmebehandlung wird für beide Zonen 4, 6 bei 1150°C während 90 Minuten ausgeführt, und die Diffusionstiefe der Basiszone 4 unterscheidet sich nicht wesentlich von derjenigen der Basiszone 6.

Wenn man die Kompromißcharakteristik zwischen der Durchlaßspannung und der Abschaltzeit des Thyristors des fünften Ausführungsbeispiels mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels vergleicht, zeigt sich, daß die Durchlaßspannung des Thyristors des fünften Ausführungsbei spiels bei derselben Abschaltzeit um 0,12 V niedriger als die beim ersten Ausführungsbeispiel ist.

Der Grund für diese niedrigere Durchlaßspannung beim fünften Ausführungsbeispiel kann darin liegen, daß der Widerstand des Kanals unter der Gateelektrode 10 durch Senken der Störstellen konzentration der zweiten Basiszone 6 reduziert ist. Die Verminderung der Störstellenkonzentra tion hatte keinen Einfluß auf die Stehspannung und die Durchbruchsfestigkeit des resultierenden Bauelements. Der obige Effekt ist nicht beschränkt auf einen Thyristor, bei dem die Diffusi onstiefe der zweiten Basiszone geringer als die der Wannenzone 5 ist, sondern zeigt sich auch in einem Bauelement, bei dem,die zweite Basiszone 6 eine große Diffusionstiefe aufweist. Einen ähnlichen Effekt findet man auch in einem Hochspannungs-Thyristor mit einem Bulk-Siliziumwa fer wie etwa bei dem vierten Ausführungsbeispiel.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Thyristors gemäß einem sechsten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieser Thyristor unterscheidet sich von demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 nur darin, daß die Sourcezone 7 aus einer Teilzone 7a mit niedriger Oberflächen-Störstellenkonzentration und einer Teilzone 7b mit hoher Oberflä chen-Störstellenkonzentration besteht.

Die Sourcezone 7 ist durch Implantieren von Arsenionen in den Mengen 1 × 10¹⁵ cm^-2 und 5 × 10¹⁵ cm^-2 gebildet, um die Teilzone 7a bzw. die Teilzone 7b zu schaffen. Die der Ionenimplantation folgende Wärmebehandlung wird für die beiden Teilzonen 7a und 7b bei 1000°C während 60 Minuten ausgeführt. Die Diffusionstiefe der Teilzone 7a unterscheidet sich nicht wesentlich von derjenigen der Teilzone 7b.

Die graphische Darstellung in Fig. 13 zeigt Strom-Spannungs-Kennlinien des Thyristors des sechsten Ausführungsbeispiels sowie des IGBT, des EST-1, des EST-2 und des EST-3 als Ver gleichsbeispiele. Auf der Ordinate ist die Stromdichte, auf der Abszisse die Spannung aufgetra gen. Die Kennlinie des Thyristors gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt eine niedrigere Durchlaßspannung in der Nähe der Nennspannung (100 Acm^-2) als die übrigen Bauelemente. Im Bereich höherer Ströme tritt jedoch bei dem Thyristor des sechsten Ausführungsbeispiels die Stromsättigung am schnellsten ein und führt zum kleinsten Grenzstrom (360 Acm^-2). Der Thyri stor dieses Ausführungsbeispiels ist in der Lage, Lastkurzschlüssen für 45 µs bei 125°C stand zuhalten, wenn die Spannung zwischen Anode und Kathode 400 V und die Gatespannung 15 V beträgt, während der Thyristor mit einer Sourcezone 7 gleichmäßig hoher Störstellenkonzentra tion einem solchen Lastkurzschluß für 30 µs standhält. Somit ist die Lastkurzschlußstehdauer des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1,5mal so lang wie diejenige des Thyristors mit einer Sourcezone 7, die eine einzige Zone hoher Konzentration darstellt.

Der Grund für den geringen Grenzstrom des Thyristors des sechsten Ausführungsbeispiels kann darin liegen, daß die Teilzone 7a niedriger Konzentration der Sourcezone 7 zum Auftreten einer Widerstandskomponente innerhalb der Sourcezone im Bereich großer Ströme führt. Die Source-Teilzone 7b hoher Konzentration stellt den Kontakt der Sourcezone 7 mit der Kathodenelektrode 11 sicher. Der obige Effekt ist nicht notwendigerweise auf einen Thyristor beschränkt, bei dem die Diffusionstiefe der zweiten Basiszone 6 geringer als die der Wannenzone 5 ist, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, sondern zeigt sich auch in einem Bauelement, bei dem die zweite Basiszone 6 eine große Diffusionstiefe aufweist. Ein ähnlicher Effekt zeigt sich auch bei einem Hochspannungs-Thyristor, bei dem, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, ein Bulk-Siliziumwafer eingesetzt wird.

Siebtes Ausführungsbeispiel

Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht eines Teiles eines Thyristors gemäß einem siebten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 darin, daß eine Hilfszone 15 mit höherer Störstellenkonzentra tion als die Basisschicht 3 in einer Oberflächenschicht des freiliegenden Abschnitts der Basis schicht 3 zwischen der ersten und der zweiten Basiszone 4, 6 vorgesehen ist.

Nach Implantieren von Borionen (mit einer Dosis von 2 × 10¹⁵ cm^-2) zur Ausbildung der Wan nenzone 5 und Ausführen einer Wärmebehandlung bei 1150°C während 180 Minuten werden 1 × 10¹² cm^-2 Phosphorionen über die gesamte Oberfläche des Siliziumsubstrats zur Ausbildung der n Hilfszone 15 implantiert. Danach wird polykristallines Silizium zur Ausbildung der Gateelek trode 10 aufgebracht und gemustert, und Borionen werden zur Ausbildung der ersten Basiszone 4 und der zweiten Basiszone 6 implantiert.

Wenn man die Kompromißcharakteristik zwischen der Durchlaßspannung und der Abschaltzeit des Thyristors des siebten Ausführungsbeispiels mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels vergleicht, zeigt sich, daß der Thyristor des siebten Ausführungsbeispiels eine um 0,1 V gerin gere Durchlaßspannung als der Thyristor des ersten Ausführungsbeispiels bei derselben Abschaltzeit besitzt.

Der Grund für die geringere Durchlaßspannung des Thyristors des siebten Ausführungsbeispiels kann darin liegen, daß das Vorsehen der Hilfszone 15 mit hoher Störstellenkonzentration in der Oberflächenschicht der Basisschicht 3 gerade unterhalb der Gateelektrode 10 zu einer Verringe rung der Widerstandskomponente (sogenannter Kontakt-FET-Effekt) führt, die in der Basisschicht 3 auftritt, wenn sich eine Verarmungsschicht von den pn Übergängen zwischen der ersten und der zweiten Basiszone einerseits und der Basisschicht 3 andererseits ausbreitet. Das Vorsehen der Hilfszone 15 hat keinen Einfluß auf die Stehspannung, die Durchbruchsfestigkeit und andere Eigenschaften des Bauelements. Der oben beschriebene Effekt ist nicht auf einen Thyristor beschränkt, bei dem die Diffusionstiefe der zweiten Basiszone 6 geringer ist als die der Wannen zone 5, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, sondern findet sich auch bei einem Bauelement, bei dem die zweite Basiszone 6 eine große Diffusionstiefe aufweist. Ein ähn licher Effekt findet sich auch bei einem Hochspannungs-Thyristor, für den, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, ein Bulk-Siliziumwafer verwendet wird.

Fig. 15 zeigt eine Modifikation des Thyristors des siebten Ausführungsbeispiels. Bei dieser Modi fikation ist eine n Hilfszone 15 in ausgewählten Abschnitten der Oberfläche des Siliziumsubstrats statt über die gesamte Oberfläche des Substrats ausgebildet. Bei der dargestellten Ausführungs form sind die ausgewählten Abschnitte, die unmittelbar an die Basiszonen 4, 6 angrenzenden Abschnitte. Insbesondere wenn die Wannenzone 5 mit einer größeren Diffusionstiefe als die erste Basiszone 4 ausgebildet wird, werden Phosphorionen unter Verwendung einer Maske für die erste Basiszone 4 zur Ausbildung der Hilfszone 15 implantiert.

Achtes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 16(a) und 16(b) zeigen Querschnittsansichten eines Teiles eines Thyristors gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 darin, daß die Dicke des Gateoxidfilms 9 von Abschnitt zu Abschnitt variiert. Im Querschnitt gemäß Fig. 16(b) längs einer Linie, die die erste Basiszone 4 und die zweite Basiszone 6 verbindet, weist der Gateoxidfilm 9 die gleiche geringe Dicke (von 0,05 µm) auf, wie sie auch beim ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 vorhanden ist. Im Querschnitt gemäß Fig. 16(a) längs einer Linie, die zwei benachbarte erste Basiszonen 4 ver bindet, ist die Dicke des Gateoxidfilms 9 dagegen in den Abschnitten die über den ersten Basis zonen 4 liegen, gering, während die Dicke in den über der Basisschicht 3 liegenden Abschnitten groß (0,4 µm) ist.

Wenn die Eigenschaften des Thyristors gemäß dem achten Ausführungsbeispiel mit denen des ersten Ausführungsbeispiels verglichen werden, zeigen beide die gleiche Durchlaßspannung, das achte Ausführungsbeispiel besitzt jedoch bessere Schalteigenschaften und eine höhere Durch bruchsfestigkeit als das erste Ausführungsbeispiel. Insbesondere hochfrequente Schwingungs komponenten in der Spannungs-Strom-Wellenform sind reduziert und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Störimpulsen oder Rauschen verbessert. Dies kann daran liegen, daß die Gatekapazi tät durch die Vergrößerung der Dicke des Gateoxidfilms verringert ist.

Bei dem achten Ausführungsbeispiel steht in einer Schnittansicht längs einer Linie, die die erste Basiszone 4 mit der zweiten Basiszone 6 verbindet, die Sourcezone 7 wie beim ersten Ausfüh rungsbeispiel mit der Kathodenelektrode 11 in Kontakt. Die Anordnung des vorliegenden Ausfüh rungsbeispiels kann aber auch auf ein Bauelement angewendet werden, bei dem die Kathodene lektrode 11 in dem Teil der ersten Basiszone 4, der der zweiten Basiszone 6 gegenüberliegt, nicht mit der Sourcezone 7 im Kontakt steht, wie dies bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Der obige Effekt ist nicht notwendigerweise auf einen Thyristor beschränkt, bei dem die Diffusi onstiefe der zweiten Basiszone 6 kleiner als die der Wannenzone 5 ist, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, sondern stellt sich auch bei einem Bauelement ein, bei dem die zweite Basiszone 6 eine große Diffusionstiefe aufweist. Ein ähnlicher Effekt ergibt sich auch bei einem Hochspannungs-Thyristor, bei dem wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel ein Bulk-Sili ziumwafer eingesetzt wird.

Wenn mehrere der dargestellten Ausführungsbeispiele zusammen auf einem Chip eingesetzt werden, können die Wirkungen der jeweiligen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, womit ein Thyristor mit noch besseren Eigenschaften geschaffen wird.

Der herkömmliche EST wird von der IGBT-Betriebsart zur Thyristor-Betriebsart geschaltet, in wel cher der Thyristor einrastet, wobei ein Potentialabfall aufgrund eines in Z-Richtung fließenden Stroms ausgenutzt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dagegen die Oberfläche der zwei ten Basiszone des zweiten Leitungstyps mit einem Isolierfilm bedeckt, und ein Potentialanstieg dieser Basiszone infolge des Löcherstroms wird dazu ausgenutzt, das Bauelement in die Thyri stor-Betriebsart zu schalten, und beim Abschalten gleichförmig die Sperrfähigkeit des pn-Über gangs zu erzielen, wodurch der steuerbare Strom erhöht wird. Ferner ist die Diffusionstiefe der zweiten Basiszone vorteilhafterweise kleiner eingestellt als die der ersten Basiszone des zweiten Leitungstyps oder die der Wannenzone des zweiten Leitungstyps, um die Konzentration des elek trischen Feldes zu vermeiden und die Durchbruchsfestigkeit des Bauelements zu erhöhen.

Zusätzlich kann die Störstellenkonzentration der zweiten Basiszone des zweiten Leitungstyps geringer eingestellt werden als die der ersten Basiszone des zweiten Leitungstyps, um den Widerstand der Inversionsschicht zu verringern und die Durchlaßspannung zu reduzieren.

Die Sourcezone des ersten Leitungstyps kann in eine Teilzone niedriger Konzentration und eine Teilzone hoher Konzentration unterteilt werden, in welchem Fall die Kathodenelektrode mit der Teilzone hoher Konzentration im Kontakt steht, um den Grenzstrom zu verringern und die Wider standsfähigkeit des Bauelements gegenüber einem Lastkurzschluß zu erhöhen.

Die Dicke des Gateoxidfilms zwischen ersten Basiszone des zweiten Leitungstyps kann teilweise erhöht werden, um die Gatekapazität zu verringern und die Störfestigkeit des Bauelements zu verbessern.

Somit schafft die vorliegende Erfindung einen spannungsgesteuerten Thyristor mit isoliertem Gate, der eine bessere Kompromißcharakteristik zwischen der Durchlaßspannung und der Abschaltzeit sowie einen größeren sicheren Betriebsbereich bei Sperrvorspannung aufweist als der herkömmliche EST und der IGBT, und zwar über einen weiten Stehspannungsbereich von 600 V bis 2500 V.

Die vorliegende Erfindung verbessert nicht nur die Eigenschaften des Bauelements selbst, son dern trägt auch erheblich zu Verringerung von Schaltverlusten eines dieses Bauelement verwen denden Leistungsschaltgeräts bei.

Claims

1. Thyristor mit isoliertem Gate, umfassend:
eine Basisschicht (3) eines ersten Leitungstyps mit hohem spezifischen Widerstand,
eine erste und eine zweite Basiszone (4, 6) des zweiten Leitungstyps, die in ausgewähl ten Bereichen einer Oberflächenschicht an einer ersten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebil det sind, wobei die erste Basiszone (4) eine Wannenzone (5) des zweiten Leitungstyps enthält,
eine Sourcezone (7) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der ersten Basiszone (4) ausgebildet ist,
eine Emitterzone (8) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist,
eine Gateelektrode (10), die auf einem Gateisolierfilm (9) auf einer Oberfläche der ersten Basiszone (4), einem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) und einer Oberfläche der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist, wobei diese Oberflächen und der freiliegende Abschnitt zwischen der Sourcezone (7) und der Emitterzone (8) liegen,
eine erste Hauptelektrode (11), die sowohl einen freiliegenden Abschnitt der ersten Basiszone (4) als auch die Sourcezone (7) kontaktiert,
eine Emitterschicht (1) des zweiten Leitungstyps, die auf einer zweiten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebildet ist,
eine zweite Hauptelektrode (12), die die Emitterschicht (1) kontaktiert, und
einen Isolierfilm (19), der gesamte Bereiche von Oberflächen der zweiten Basiszone (6) und der Emitterzone (8) bedeckt,
wobei die zweite Basiszone (6) eine Diffusionstiefe aufweist, die kleiner ist als die größere der Diffusionstiefen der ersten Basiszone (4) und der Wannenzone (5).

2. Thyristor mit isoliertem Gate, umfassend:
eine Basisschicht (3) eines ersten Leitungstyps mit hohem spezifischen Widerstand,
eine erste und eine zweite Basiszone (4, 6) des zweiten Leitungstyps, die in ausgewähl ten Bereichen einer Oberflächenschicht an einer ersten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebil det sind,
eine Sourcezone (7) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der ersten Basiszone (4) ausgebildet ist,
eine Emitterzone (8) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist,
eine Gateelektrode (10), die auf einem Gateisolierfilm (9) auf einer Oberfläche der ersten Basiszone (4), einem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) und einer Oberfläche der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist, wobei diese Oberflächen und der freiliegende Abschnitt zwischen der Sourcezone (7) und der Emitterzone (8) liegen,
eine erste Hauptelektrode (11), die sowohl einen freiliegenden Abschnitt der ersten Basiszone (4) als auch die Sourcezone (7) kontaktiert,
eine Emitterschicht (1) des zweiten Leitungstyps, die auf einer zweiten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebildet ist,
eine zweite Hauptelektrode (12), die die Emitterschicht (1) kontaktiert, und
einen Isolierfilm (19), der gesamte Bereiche von Oberflächen der zweiten Basiszone (6) und der Emitterzone (8) bedeckt,
wobei die zweite Basiszone (6) eine Oberflächen-Störstellenkonzentration aufweist, die niedriger ist als die der ersten Basiszone (4).

3. Thyristor mit isoliertem Gate, umfassend:
eine Basisschicht (3) eines ersten Leitungstyps mit hohem spezifischen Widerstand,
eine erste und eine zweite Basiszone (4, 6) des zweiten Leitungstyps, die in ausgewähl ten Bereichen einer Oberflächenschicht an einer ersten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebil det sind,
eine Sourcezone (7) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der ersten Basiszone (4) ausgebildet ist,
eine Emitterzone (8) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist,
eine Gateelektrode (10), die auf einem Gateisolierfilm (9) auf einer Oberfläche der ersten Basiszone (4), einem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) und einer Oberfläche der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist, wobei diese Oberflächen und der freiliegende Abschnitt zwischen der Sourcezone (7) und der Emitterzone (8) liegen,
eine erste Hauptelektrode (11), die sowohl einen freiliegenden Abschnitt der ersten Basiszone (4) als auch die Sourcezone (7) kontaktiert,
eine Emitterschicht (1) des zweiten Leitungstyps, die auf einer zweiten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebildet ist,
eine zweite Hauptelektrode (12), die die Emitterschicht (1) kontaktiert, und
einen Isolierfilm (19), der gesamte Bereiche von Oberflächen der zweiten Basiszone (6) und der Emitterzone (8) bedeckt,
wobei die Sourcezone (7) eine erste Teilzone (7b) mit einer ersten Oberflächen-Störstel lenkonzentration und eine zweite Teilzone (7a) mit einer zweiten Oberflächen-Störstellenkonzen tration aufweist, die niedriger als die erste Oberflächen-Störstellenkonzentration ist, und die erste Hauptelektrode (11) im Kontakt mit einer Oberfläche der ersten Teilzone (7b) steht.

4. Thyristor mit isoliertem Gate, umfassend:
eine Basisschicht (3) eines ersten Leitungstyps mit hohem spezifischen Widerstand,
eine erste und eine zweite Basiszone (4, 6) des zweiten Leitungstyps, die in ausgewähl ten Bereichen einer Oberflächenschicht an einer ersten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebil det sind,
eine Sourcezone (7) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der ersten Basiszone (4) ausgebildet ist,
eine Emitterzone (8) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist,
eine Gateelektrode (10), die auf einem Gateisolierfilm (9) auf einer Oberfläche der ersten Basiszone (4), einem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) und einer Oberfläche der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist, wobei diese Oberflächen und der freiliegende Abschnitt zwischen der Sourcezone (7) und der Emitterzone (8) liegen,
eine erste Hauptelektrode (11), die sowohl einen freiliegenden Abschnitt der ersten Basiszone (4) als auch die Sourcezone (7) kontaktiert,
eine Emitterschicht (1) des zweiten Leitungstyps, die auf einer zweiten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebildet ist,
eine zweite Hauptelektrode (12), die die Emitterschicht (1) kontaktiert, und
einen Isolierfilm (19), der gesamte Bereiche von Oberflächen der zweiten Basiszone (6) und der Emitterzone (8) bedeckt,
wobei eine Hilfszone (15) des ersten Leitungstyps, die eine höhere Störstellenkonzen tration als die Basisschicht (3) sowie eine kleinere Diffusionstiefe als die erste und die zweite Basiszone (4, 6) aufweist, in dem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) zwischen der ersten und der zweiten Basiszone (4, 6) ausgebildet ist.

5. Thyristor mit isoliertem Gate, umfassend:
eine Basisschicht (3) eines ersten Leitungstyps mit hohem spezifischen Widerstand,
eine erste und eine zweite Basiszone (4, 6) des zweiten Leitungstyps, die in ausgewähl ten Bereichen einer Oberflächenschicht an einer ersten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebil det sind,
eine Sourcezone (7) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der ersten Basiszone (4) ausgebildet ist,
eine Emitterzone (8) des ersten Leitungstyps, die in einem ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist,
eine Gateelektrode (10), die auf einem Gateisolierfilm (9) auf einer Oberfläche der ersten Basiszone (4), einem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) und einer Oberfläche der zweiten Basiszone (6) ausgebildet ist, wobei diese Oberflächen und der freiliegende Abschnitt zwischen der Sourcezone (7) und der Emitterzone (8) liegen,
eine erste Hauptelektrode (11), die sowohl einen freiliegenden Abschnitt der ersten Basiszone (4) als auch die Sourcezone (7) kontaktiert,
eine Emitterschicht (1) des zweiten Leitungstyps, die auf einer zweiten Hauptfläche der Basisschicht (3) ausgebildet ist,
eine zweite Hauptelektrode (12), die die Emitterschicht (1) kontaktiert, und
einen Isolierfilm (19), der gesamte Bereiche von Oberflächen der zweiten Basiszone (6) und der Emitterzone (8) bedeckt,
wobei ein erster Teil des Gateisolierfilms (9) auf dem freiliegenden Abschnitt der Basis schicht (3), der zwischen zwei ersten Basiszonen (4) liegt, eine Dicke aufweist, die größer ist als die eines zweiten Teils des Gateisolierfilms auf dem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3), der zwischen der ersten und der zweiten Basiszone (4, 6) liegt.

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die erste Basiszone (4) eine Wannenzone (5) des zweiten Leitungstyps aufweist und die zweite Basiszone (6) eine Diffusi onstiefe aufweist, die kleiner ist als die größere der Diffusionstiefen der ersten Basiszone (4) und der Wannenzone (5).

7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 und 5, bei dem die zweite Basiszone (6) eine Oberflächen-Störstellenkonzentration aufweist, die niedriger als die der ersten Basiszone (4) ist.

8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, bei dem die Sourcezone (7) eine erste Teilzone (7b) mit einer ersten Oberflächen-Störstellenkonzentration und eine zweite Teil zone (7a) mit einer zweiten Oberflächen-Störstellenkonzentration umfaßt, die niedriger als die erste Oberflächen-Störstellenkonzentration ist, und die erste Hauptelektrode (11) im Kontakt mit einer Oberfläche der ersten Teilzone (7b) steht.

9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, und 5, bei dem ferner eine Hilfszone (15) des ersten Leitungstyps, die eine höhere Störstellenkonzentration als die Basisschicht (3) sowie eine kleinere Diffusionstiefe als die erste und die zweite Basiszone (4, 6) aufweist, in dem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) zwischen der ersten und der zweiten Basiszone (4, 6) ausgebildet ist.

10. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Teil des Gateisolierfilms (9), der auf dem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) zwischen zwei ersten Basiszonen (4) liegt, eine Dicke aufweist, die größer als die eines zweiten Teils des Gateisolierfilms (9) ist, der auf dem freiliegenden Abschnitt der Basisschicht (3) zwischen der ersten und der zweiten Basiszone (4, 6) liegt.

11. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die erste und/oder die zweite Basiszone (4, 6), die Emitterzone (8) und die Sourcezone (7; 7a, 7b) eine polygonale, kreisförmige oder elliptische Form aufweisen.

12. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die erste Basiszone (4) und die in ihrer Oberflächenschicht ausgebildete Sourcezone (7) so ausgebildet sind, daß sie die zweite Basiszone (6) umgeben.

13. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem eine Vielzahl der ersten Basiszonen (4) um die zweite Basiszone (6) herum ausgebildet ist.

14. Thyristor nach Anspruch 13, bei dem eine Vielzahl der ersten Basiszonen (4) und der in ihren Oberflächenschichten ausgebildeten Sourcezonen (7; 7a, 7b) um die zweite Basis zone (6) herum ausgebildet ist und die Gateelektrode (10) mit einer im wesentlichen ringartigen Form so vorgesehen ist, daß sie den Isolierfilm (19) auf der zweiten Basiszone (6) umgibt, wäh rend die erste Hauptelektrode (11) auf einem Isolierfilm (14) auf der der zweiten Basiszone (6) abgewandten Seite der Gateelektrode (10) vorgesehen ist.

15. Thyristor nach Anspruch 14, bei dem ein Kontaktabschnitt zwischen der ersten Hauptelektrode (11) und der ersten Basiszone (4) und der Sourcezone (7; 7b) eine polygonale Form, eine Kreisform oder ein elliptische Form aufweist.

16. Thyristor nach Anspruch 14 oder 15, bei dem ein erster Oberflächenabschnitt der Sourcezone (7; 7b), der der zweiten Basiszone (6) gegenüberliegt, mit einem Isolierfilm (14) bedeckt ist, und ein zweiter Oberflächenabschnitt der Sourcezone (7; 7a), der der ersten Basis zone (4) gegenüberliegt, mit der ersten Hauptelektrode (11) im Kontakt steht.

17. Thyristor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die Emitterzone (8) eine Diffusionstiefe aufweist, die größer ist als diejenige der Sourcezone (7).

18. Thyristor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem Lebensdauerkiller örtlich in Abschnitten des Thyristors vorhanden sind.

19. Thyristor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, ferner umfassend eine Pufferschicht (2) des ersten Leitungstyps zwischen der Basisschicht (3) und der Emitterschicht (1), wobei die Pufferschicht (2) eine höhere Störstellenkonzentration als die Basisschicht (3) aufweist.